Mithilfe von Mikroorganismen wie Hefen und Bakterien als „Biokatalysatoren“ wird Xylose über Stoffwechselwege in Xylitol, einen Lebensmittelinhaltsstoff, umgewandelt. Zu den typischen Prozessen gehören:
Batch-Fermentation: Eine Xyloselösung wird mit einem mikrobiellen Inokulum gemischt und bei 30–35 Grad und einem pH-Wert von 5,5–6,5 48–72 Stunden lang fermentiert, wodurch Xylitol mit einer Rate von 0,6–0,8 g/g Xylose entsteht.
Kontinuierliche Fermentation: Eine kontinuierliche Produktion wird durch die Aufrechterhaltung der mikrobiellen Zellaktivität durch eine Fed-{0}}Batch-Zugabe von Xyloselösung erreicht, was jedoch höhere Investitionen in die Ausrüstung erfordert.
Zu den Vorteilen biologischer Methoden gehören milde Reaktionsbedingungen, geringer Energieverbrauch (30–50 % energieeffizienter als chemische Methoden) und keine Schwermetallbelastung, was den Trends einer umweltfreundlichen Produktion entspricht. Allerdings sind die aktuellen Umwandlungsraten des Inokulums relativ niedrig (normalerweise unter 70 %) und der Fermentationszyklus ist lang, was zu Produktionskosten führt, die 20–30 % höher sind als bei chemischen Methoden.
Wichtige Kontrollpunkte
Rohstoffvorbehandlung: Die Hydrolyse von Xylitol-Lebensmittelrohstoffen erfordert eine kontrollierte Säurekonzentration (0,5–1 %) und Temperatur (100–120 Grad), um einen übermäßigen Abbau und die Entstehung von Nebenprodukten wie Furfural zu vermeiden.
Parameter der katalytischen Hydrierung: Ein zu niedriger Wasserstoffdruck führt zu einer unvollständigen Reaktion, während ein zu hoher Druck die Anlagenkosten erhöht. Der Katalysator muss regelmäßig aktiviert werden (z. B. Reinigung mit alkalischer Lösung), um seine Aktivität aufrechtzuerhalten.
Auswahl des Fermentationsstamms: Die Verbesserung der Toleranz des Stamms gegenüber Xylose und der Umwandlungsrate durch Gen-Editing-Technologie ist eine zentrale Richtung zur Kostenreduzierung in biologischen Prozessen.